Publicado
A low-cost upper limb exoskeleton assistive device based on elbow torque feedback
Un dispositivo de asistencia del exoesqueleto de las extremidades superiores de bajo costo basado en la retroalimentación del torque del codo
DOI:
https://doi.org/10.15446/dyna.v92n237.118635Palabras clave:
upper limb exoskeleton, torque feedback, loaded elbow flexion, EMG signals, performance evaluation (en)exoesqueleto del miembro superior, retroalimentación de par, flexión del codo con carga, las señales EMG, evaluación del desempeño (es)
Descargas
To alleviate upper limb movement impairment in specific groups, reduce the heavy workload of laborers, and assist patients with elbow joint injuries in post-rehabilitation training, we designed a wearable upper limb exoskeleton. A dual-motor system based on elbow torque feedback can realize the smooth rotation and motion assistance of elbow joints by motor driving. To evaluate the performance of the upper limb exoskeleton, we conducted a loaded elbow flexion comparative test while collecting and evaluating electromyographic (EMG) signals. The test demonstrates that the upper limb exoskeleton effectively abates muscle workload. This low-cost upper limb exoskeleton effectively assists movement and enhances upper limb endurance for rehabilitation training or tasks like lifting and carrying. It offers an opportunity to enhance the quality of life for users by aiding in the recovery or improvement of upper limb function.
Para aliviar el deterioro del movimiento de las extremidades superiores en grupos específicos, reducir la gran carga de trabajo de los trabajadores, y ayudar a los pacientes con lesiones en las articulaciones del codo en el entrenamiento post-rehabilitación, hemos diseñado un exoesqueleto vestible de las extremidades superiores. Un sistema de doble motor basado en la retroalimentación del par del codo puede realizar la rotación suave y la asistencia de movimiento de las articulaciones del codo por motor de conducción. Para evaluar el desempeño del exoesqueleto del miembro superior, se realizó un test comparativo de flexión del codo cargado mientras se recogían y evaluaban las señales electromiográficas (EMG). La prueba demuestra que el exoesqueleto del miembro superior disminuye con eficacia la carga de trabajo muscular. Este exoesqueleto de las extremidades superiores de bajo costo ayuda eficazmente al movimiento y mejora la resistencia de las extremidades superiores para el entrenamiento de rehabilitación o tareas como levantar y llevar. Ofrece una oportunidad para mejorar la calidad de vida de los usuarios al ayudar en la recuperación o mejora de la función de las extremidades superiores.
Referencias
[1] Siviy, C., Baker, L.M., Quinlivan, B.T. et al., Opportunities and challenges in the development of exoskeletons for locomotor assistance. Nature Biomedical Engineering,7(4), pp. 456-472, 2023. DOI: https://doi.org/10.1038/s41551-022-00984-1
[2] Zimmermann, Y., Sommerhalder, M., Wolf, P. et al., ANYexo 2.0: a fully actuated upper-limb exoskeleton for manipulation and joint-oriented training in all stages of rehabilitation. IEEE Transactions on Robotics, 39(3), pp. 2131-2150, 2023. DOI: https://doi.org/10.1109/TRO.2022.3226890
[3] Nassour, J., Zhao, G., and Grimmer, M., Soft pneumatic elbow exoskeleton reduces the muscle activity, metabolic cost and fatigue during holding and carrying of loads. Scientific Reports,11(1), art. 12556, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-91702-5
[4] Georgarakis, A-M., Xiloyannis, M., Wolf, P., et al., A textile exomuscle that assists the shoulder during functional movements for everyday life. Nature Machine Intelligence, 4(6), pp. 574-82, 2022. DOI: https://doi.org/10.1038/s42256-022-00495-3
[5] Walsh, C.J., Paluska, D., Pasch, K., et al., Development of a lightweight, under. actuated exoskeleton for load-carrying augmentation, in: Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2006 ICRA, 2006, pp. 15-19. DOI: https://doi.org/10.1109/ROBOT.2006.1642234
[6] Wu, K.Y., Su, Y.Y., Yu, Y.L., et al., A 5-Degrees-of-freedom lightweight elbow-wrist exoskeleton for forearm fine-motion rehabilitation. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 24(6), pp. 2684-2695, 2019. DOI: https://doi.org/10.1109/TMECH.2019.2945491
[7] Collins, S.H, Wiggin, M.B., and Sawicki, G.S., Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton. Nature, 522(7555), pp. 212-215, 2015. DOI: https://doi.org/10.1038/nature14288
[8] Li, H., Sui, D., Ju, H., et al., Mechanical compliance and dynamic load isolation design of lower limb exoskeleton for locomotion assistance. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 27(6), pp. 5392-5402, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/TMECH.2022.3181261
[9] Gull, M.A., Bai, S., and Bak, T., A Review on Design of Upper Limb Exoskeletons. 9(1), art, 9010016, 2020. DOI: https://doi.org/10.3390/robotics9010016
[10] Kim, H., and Asbeck, A.T., Just noticeable differences for elbow joint torque feedback. Scientific Reports, 11(1), art. 23553, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-02630-3
[11] Kim, H., and Asbeck, A.T., The effects of torque magnitude and stiffness in arm guidance through joint torque feedback. IEEE Access, 10, pp. 5842-5854, 2022. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3141981
[12] Vitiello, N., Lenzi, T., Roccella, S., et al., NEUROExos: a powered elbow exoskeleton for physical rehabilitation. IEEE Transactions on Robotics, 29(1), pp. 220-235, 2013. DOI: https://doi.org/1109/TRO.2012.2211492
[13] Kim, H., and Asbeck, A.T., An elbow exoskeleton for haptic feedback made with a direct drive hobby motor. HardwareX, 8, art. e00153, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ohx.2020.e00153
[14] Perry, J.C., Rosen, J., Burns, S., Upper-Limb powered exoskeleton design. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 12(4), 408-417, 2007. DOI: https://doi.org/10.1109/TMECH.2007.901934
[15] Abassi, M., Khlaief, A., Saadaoui, O., et al., Performance analysis of FOC and DTC for PMSM drives using SVPWM technique, in: Proceedings of the 2015 16th International Conference on Sciences and Techniques of Automatic Control and Computer Engineering (STA), 2015, pp. 21-23. DOI: https://doi.org/10.1109/STA.2015.7505167
[16] Pinto-Fernandez, D., Torricelli, D., Sanchez-Villamanan, M.D.C., et al., Performance evaluation of lower limb exoskeletons: a systematic review. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 28(7), pp. 1573-1583, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/TNSRE.2020.2989481
[17] Z. Du, et al., Mechanical design and preliminary performance evaluation of a passive arm-support exoskeleton, 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 3371-3376, 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/IROS45743.2020.9341290
[18] Liu, Y., Li, X., Zhu, A., Zheng, Z., and Zhu, H., Design and evaluation of a surface electromyography-controlled lightweight upper arm exoskeleton rehabilitation robot. International Journal of Advanced Robotic Systems. 18(3), art. 003461, 2021. DOI: https://doi.org/10.1177/17298814211003461
Cómo citar
IEEE
ACM
ACS
APA
ABNT
Chicago
Harvard
MLA
Turabian
Vancouver
Descargar cita
Licencia
Derechos de autor 2025 DYNA

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
El autor o autores de un artículo aceptado para publicación en cualquiera de las revistas editadas por la facultad de Minas cederán la totalidad de los derechos patrimoniales a la Universidad Nacional de Colombia de manera gratuita, dentro de los cuáles se incluyen: el derecho a editar, publicar, reproducir y distribuir tanto en medios impresos como digitales, además de incluir en artículo en índices internacionales y/o bases de datos, de igual manera, se faculta a la editorial para utilizar las imágenes, tablas y/o cualquier material gráfico presentado en el artículo para el diseño de carátulas o posters de la misma revista.




